硅襯�LED芯片是GaN基在硅襯底上制造的一�LED芯片�硅襯底LED芯片問世不久,但是在硬度、導電�、導熱�、價格及加工工藝上已經相較傳�(tǒng)的LED芯片有了明顯的優(yōu)�,受到業(yè)界的廣泛關注�
采用Thomas Swan CCS低壓MOCVD系統(tǒng)�50 mm si(111)襯底上生長GaN基MQW結構。使用三甲基�(TMGa)為Ga源、三甲基�(TMAI)為Al�、三甲基�(TMIn)為In�、氨�(NH3)為N�、硅�(SiH4)和二茂鎂(CP2Mg)分別用作n型和p型摻雜劑。首先在Si(111)襯底上外延生長AlN緩沖�,然后依次生長n型GaN層、InGaN/GaN多量子阱�(fā)光層、p型AlGaN�、p型GaN�,接著在p面制作Ag反射鏡并形成p型歐姆接�,然后通過熱壓焊方法把外延層轉移到導電基板�,再用Si腐蝕液把Si襯底腐蝕去除并暴露n型GaN層,使用堿腐蝕液對n型面粗化后再形成n型歐姆接�,這樣就完成了垂直結構LED芯片的制�。結構圖見圖1�
從結構圖中看�,Si襯底芯片為倒裝薄膜結構,從下至上依次為背面Au電極、Si基板、粘接金屬、金屬反射鏡(p歐姆電極)、GaN外延層、粗化表面和Au電極。這種結構芯片電流垂直分布,襯底熱導率�,可靠性高;發(fā)光層背面為金屬反射鏡,表面有粗化結構,取光效率高�
用Si作GaN�(fā)光二極管襯底,雖然使LED的制造成本大大降低,也解決了專利壟斷問題,然而與藍寶石和SiC相比,在Si襯底上生長GaN更為困難,因為這兩者之間的熱失配和晶格失配更大,Si與GaN的熱膨脹系數(shù)差別也將導致GaN膜出�(xiàn)龜裂,晶格常�(shù)差會在GaN外延層中造成高的位錯密度;另外Si襯底LED還可能因為Si與GaN之間�0.5 V的異質勢壘而使開啟電壓升高以及晶體完整性差造成p型摻雜效率低,導致串�(lián)電阻增大,還有Si吸收可見光會降低LED的外量子效率。因�,針對上述問�,深入研究和采用了發(fā)光層位錯密度控制技�、化學剝離襯底轉移技�、高可靠性高反光特性的p型GaN歐姆電極制備技術及鍵合技術、高出光效率的外延材料表面粗化技�、襯底圖形化技�、優(yōu)化的垂直結構芯片設計技術,在大量的試驗和探索中,解決了許多技術難�,最終成功制備出尺寸1 mm×1 mm�350 mA下光輸出功率大于380 mW、發(fā)光波�451 nm、工作電�3.2 V的藍色發(fā)光芯�,完成課題規(guī)定的指標。采用的關鍵技術及技術創(chuàng)新性有以下幾個方��
(1)采用多種在線控制技術,降低了外延材料中的刃位錯和螺位錯,改善了Si與GaN兩者之間的熱失配和晶格失配,解決了GaN單晶膜的龜裂問題,獲得了厚度大于4 μm的無裂紋GaN外延膜�
(2)通過引入AIN,AlGaN多層緩沖�,大大緩解了Si襯底上外延GaN材料的應�,提高了晶體質量,從而提高了�(fā)光效��
(3)通過�(yōu)化設計n-GaN層中Si濃度結構及量子阱/壘之間的界面生長條�,減小了芯片的反向漏電流并提高了芯片的抗靜電性能�
(4)通過調節(jié)p型層鎂濃度結構,降低了器件的工作電壓;通過�(yōu)化p型GaN的厚度,改善了芯片的取光效率�
(5)通過�(yōu)化外延層結構及摻雜分布,減小串聯(lián)電阻,降低工作電壓,減少熱產生率,提升了LED的工作效率并改善器件的可靠��
(6)采用多層金屬結構,同時兼顧歐姆接�、反光特性、粘接特性和可靠�,優(yōu)化焊接技術,解決了銀反射鏡與p-GaN粘附不牢且接觸電阻大的問��
(7)�(yōu)選了多種焊接金屬,優(yōu)化焊接條�,成功獲得了GaN薄膜和導電Si基板之間的牢固結�,解決了該過程中產生的裂紋問��
(8)通過濕法和干法相結合的表面粗�,減少了內部全反射和波導效應引起的光損失,提高LED的外量子效率,使器件獲得了較高的出光效率�
(9)解決了GaN表面粗化深度不夠且粗化不均勻的問題,解決了粗化表面清洗不干凈的難題并�(yōu)化了N電極的金屬結�,在粗化的N極性n-GaN表面獲得了低阻且�(wěn)定的歐姆接觸�
2.1 技術路�
采用藍光LED激�(fā)YAG/硅酸鹽/氮氧化物多基色體系熒光粉,�(fā)射黃、綠、紅�,合成白光的技術路��
工藝流程:在金屬支架/陶瓷支架上裝配藍光LED芯片(導電膠粘結工�)→鍵�(金絲球焊工藝)→熒光膠涂覆(自動化圖形點膠/自動噴射工藝)→Si膠封�(模具灌膠工藝)→切筋→測試→包��
2.2 主要封裝工藝
Si襯底的功率型GaN基LED封裝采用仿流明的支架封裝形式,其外形有朗柏型、矩形和雙翼�。其制作過程為:使用導熱系數(shù)較高�194合金金屬支架,先將LED芯片粘接在金屬支架的反光杯底�,再通過鍵合工藝將金屬引線連接LED芯片與金屬支架電�,完成電氣連接,用有機封裝材料(如Si�)覆蓋芯片和電極引線,形成封裝保護和光學通道。這種封裝對于取光效率、散熱性能、加大工作電流密度的設計都是的。其主要特點包括:熱阻低(小于10 ℃/W),可靠性高,封裝內部填充穩(wěn)定的柔性膠凝體,在-40�120℃范圍,不會因溫度驟變產生的內應�,使金絲與支架斷開,并防止有機封裝材料變黃,引線框架也不會因氧化而沾�;優(yōu)化的封裝結構設計使光學效�、外量子效率性能�(yōu)異�
Si襯底的GaN基LED制造技術是國際上第三條LED制造技術路�,是LED三大原創(chuàng)技術之一,與前兩條技術路線相�,具有四大優(yōu)勢:,具有原�(chuàng)技術產�,產品可銷往國際市場,不受國際專利限�。第�,具有優(yōu)良的性能,產品抗靜電性能好,壽命�,可承受的電流密度高。第�,器件封裝工藝簡�,芯片為上下電極,單引線垂直結構,在器件封裝時只需單電極引�,簡化了封裝工藝,節(jié)約了封裝成本。第�,由于Si襯底比前兩種技術路線使用的藍寶石和SiC價格便宜得多,而且將來生產效率更高,因此成本低�。經過三年的科技攻關,課題申請發(fā)明專�12�、實用新型專�7�,該技術成功突破了美國、日本多年在半導體發(fā)光芯�(LED)方面的專利技術壁壘,打破了目前日本日亞公司壟斷藍寶石襯底和美國CREE公司壟斷SiC襯底半導體照明技術的局�,形成了藍寶�、SiC、Si襯底半導體照明技術方案三足鼎立的局�。因此采用Si襯底GaN的LED產品的推出,對于促進我國擁有知識產權的半導體LED照明產業(yè)的發(fā)展有著重大意�.
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